已知椭圆C:x23+y22=1C: \dfrac {x^{2}}{3}+ \dfrac {y^{2}}{2}=1上的动点PP与其顶点A(−3,0)A(- \sqrt {3},0),B(3,0)B( \sqrt {3},0)不重合. ((Ⅰ))求证:直线PAPA与PBPB的斜率乘积为定值; ((Ⅱ))设点MM,NN在椭圆CC上,OO为坐标原点,当OM/ ⁣/PAOM/\!/PA,ON/ ⁣/PBON/\!/PB时,求△OMN\triangle OMN的面积.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 设出点 $P$ 的坐标并利用椭圆方程表示 $y_0^2$

设动点 P(x0,y0)P(x_0, y_0),其中 x0≠±3x_0 \neq \pm \sqrt{3}.
因为点 PP 在椭圆 C:x23+y22=1C: \dfrac{x^2}{3} + \dfrac{y^2}{2} = 1 上,所以有 x023+y022=1\dfrac{x_0^2}{3} + \dfrac{y_0^2}{2} = 1,
变形式可得 y02=2(1−x023)=23(3−x02)y_0^2 = 2\left(1 - \dfrac{x_0^2}{3}\right) = \dfrac{2}{3}(3 - x_0^2).

2. 表示直线 $PA$ 与 $PB$ 的斜率并计算其乘积

已知 A(−3,0)A(-\sqrt{3}, 0),B(3,0)B(\sqrt{3}, 0),则直线 PAPA 和 PBPB 的斜率分别为:
kPA=y0x0+3,kPB=y0x0−3k_{PA} = \dfrac{y_0}{x_0 + \sqrt{3}}, \quad k_{PB} = \dfrac{y_0}{x_0 - \sqrt{3}}
两斜率之积为:
kPA⋅kPB=y0x0+3⋅y0x0−3=y02x02−3k_{PA} \cdot k_{PB} = \dfrac{y_0}{x_0 + \sqrt{3}} \cdot \dfrac{y_0}{x_0 - \sqrt{3}} = \dfrac{y_0^2}{x_0^2 - 3}
将 y02=23(3−x02)y_0^2 = \dfrac{2}{3}(3 - x_0^2) 代入上式,得:
kPA⋅kPB=23(3−x02)x02−3=−23k_{PA} \cdot k_{PB} = \dfrac{\dfrac{2}{3}(3 - x_0^2)}{x_0^2 - 3} = -\dfrac{2}{3}
故直线 PAPA 与 PBPB 的斜率乘积为定值 −23-\dfrac{2}{3}.

答案

直线 PAPA 与 PBPB 的斜率乘积为定值 −23-\dfrac{2}{3}.

(Ⅱ)

1. 由平行关系确定直线 $OM$ 与 $ON$ 的斜率关系

设直线 OMOM 的斜率为 k1k_1,直线 ONON 的斜率为 k2k_2.
因为 OM∥PAOM \parallel PA,ON∥PBON \parallel PB,所以 k1=kPAk_1 = k_{PA},k2=kPBk_2 = k_{PB}.
由第 (I)(\text{I}) 问结论可得 k1⋅k2=−23k_1 \cdot k_2 = -\dfrac{2}{3}.

2. 联立直线与椭圆方程,求出 $M, N$ 横坐标平方的表达式

设直线 OMOM 的方程为 y=k1xy = k_1 x,代入椭圆方程 x23+y22=1\dfrac{x^2}{3} + \dfrac{y^2}{2} = 1 得:
x23+k12x22=1  ⟹  x2(2+3k126)=1  ⟹  xM2=63k12+2\dfrac{x^2}{3} + \dfrac{k_1^2 x^2}{2} = 1 \implies x^2\left(\dfrac{2 + 3k_1^2}{6}\right) = 1 \implies x_M^2 = \dfrac{6}{3k_1^2 + 2}
同理,设直线 ONON 的方程为 y=k2xy = k_2 x,可得:
xN2=63k22+2x_N^2 = \dfrac{6}{3k_2^2 + 2}
将 k2=−23k1k_2 = -\dfrac{2}{3k_1} 代入 xN2x_N^2 的表达式:
xN2=63(−23k1)2+2=643k12+2=9k123k12+2x_N^2 = \dfrac{6}{3\left(-\dfrac{2}{3k_1}\right)^2 + 2} = \dfrac{6}{\dfrac{4}{3k_1^2} + 2} = \dfrac{9k_1^2}{3k_1^2 + 2}

3. 利用三角形面积公式计算 $\triangle OMN$ 的面积

由坐标几何面积公式,△OMN\triangle OMN 的面积为:
S=12∣xMyN−xNyM∣=12∣xM(k2xN)−xN(k1xM)∣=12∣xMxN(k1−k2)∣S = \dfrac{1}{2}|x_M y_N - x_N y_M| = \dfrac{1}{2}|x_M (k_2 x_N) - x_N (k_1 x_M)| = \dfrac{1}{2}|x_M x_N (k_1 - k_2)|
对 S2S^2 进行计算:
S2=14xM2xN2(k1−k2)2S^2 = \dfrac{1}{4} x_M^2 x_N^2 (k_1 - k_2)^2
其中 xM2xN2=63k12+2⋅9k123k12+2=54k12(3k12+2)2x_M^2 x_N^2 = \dfrac{6}{3k_1^2 + 2} \cdot \dfrac{9k_1^2}{3k_1^2 + 2} = \dfrac{54k_1^2}{(3k_1^2 + 2)^2},且
(k1−k2)2=(k1+23k1)2=(3k12+2)29k12(k_1 - k_2)^2 = \left(k_1 + \dfrac{2}{3k_1}\right)^2 = \dfrac{(3k_1^2 + 2)^2}{9k_1^2}
代入可得:
S2=14⋅54k12(3k12+2)2⋅(3k12+2)29k12=14⋅549=32S^2 = \dfrac{1}{4} \cdot \dfrac{54k_1^2}{(3k_1^2 + 2)^2} \cdot \dfrac{(3k_1^2 + 2)^2}{9k_1^2} = \dfrac{1}{4} \cdot \dfrac{54}{9} = \dfrac{3}{2}
因此,S=32=62S = \sqrt{\dfrac{3}{2}} = \dfrac{\sqrt{6}}{2}.

答案

△OMN\triangle OMN 的面积为 62\dfrac{\sqrt{6}}{2}.

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